Лекция жоспары:

1.Кристалдалдың механикалық әсерден электр зарядын өндіру қабілеті.

2.Пьезоэффект мүмкіндіктері.

3.Пьезоэлектрлік құбылыстың өндірістік қолданыстары.

1.Кристалдалдың механикалық әсерден электр зарядын өндіру қабілеті.

Кристалға қысым түскенде оның ішкі атомдық торы деформацияланады. Осы кезде оң және теріс зарядтар бір-бірінен ығысып, электр өрісі түзіледі. Әлемде энергияға деген сұраныс артып келе жатқан жағдайда, оның балама көздерін іздеу – ғылым мен техника саласындағы ең өзекті мәселелердің бірі болып отыр. Жаңартылатын энергия көздері – болашақтың тірегі. Осы орайда қалдықсыз энергия өндірудің заманауи әдістерін зерттеу – экологияны қорғау мен энергия тиімділігін арттыруда аса маңызды бағыттардың бірі. Соңғы жылдары ғылымда кеңінен қолданыс таба бастаған пьезоэлектрлік материалдар арқылы энергия өндіру – осы бағыттың нақты әрі болашағы зор мысалы болып табылады. Пьезоэлектрлік құбылыс – кейбір материалдардың механикалық қысым әсерінен электр зарядын бөлу қасиеті. Бұл құбылыс алғаш рет XIX ғасырдың соңында ашылғанымен, тек ХХІ ғасырда ғана нақты практикалық шешімдерді жүзеге асыру үшін кеңінен қолданыла бастады. Мұндай материалдар адамдардың күнделікті қозғалысы, көлік дірілі, дыбыс толқындары сияқты механикалық тербелістерді пайдалана отырып, электр энергиясын өндіре алады. Бұл энергияны аккумуляциялау және шағын құрылғыларды қуаттандыру мақсатында пайдалануға болады. Қазіргі заманғы қоғамда энергия тапшылығы мен қоршаған ортаның ластануы мәселелерінің қатар шешілу қажеттілігіне байланысты.

2.Пьезоэффект мүмкіндіктері.

Пьезоэлектрлік эффект — механикалық кернеулер әсерінен диэлектриктің поляризациялану құбылысы (тура Пьезоэлектрлік эффект) және электр өрісі әсерінен диэлектрикте механикалық деформаңияның пайда болуы (кері Пьезоэлектрлік эффект). Алғаш рет оны 1880 ж. француз физигі П.Кюри сегнет түзы кристалдарында зерттеген. Пьезоэлектрлік энергия көздері қалдық шығармайды, жану процесін қолданбайды және көмірқышқыл газының бөлінуіне себеп болмайды. Демек, бұл әдіс экологиялық қауіпсіз, энергияны тиімді түрде өндіруге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, адам қозғалысы немесе сыртқы дыбыстық әсерлер үнемі болатынын ескерсек, энергия көзі ретінде бұл өте қолжетімді және үздіксіз, мектеп оқушысының деңгейінде пьезоэлектрлік материалдардың жұмыс істеу принциптерін түсіну, олардың түрлерімен танысу және күнделікті өмірде қолдану мүмкіндіктерін анықтау. Жоба барысында тәжірибелер арқылы осы материалдардың тиімділігі тексеріліп, қандай жағдайларда олардың энергия өндіру қабілеті жоғары болатыны сарапталады.

Мұнда алған білімдерді – күш, қысым, энергия түрлері, электр зарядтары, тербелістер мен толқындар тақырыптарын практикалық түрде қолдануға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, зерттеу жұмысы оқушыларды инженерлік ойлауға, шығармашылық ізденіске, ғылыми әдіснамаға үйретеді. Оқушы айналасындағы құбылыстарға ғылыми тұрғыдан қарауды үйренеді және жаңа технологиялық шешімдерге қызығушылық танытады. Осы тұста «Қалдықсыз энергия: пьезоэлектрлік материалдарды зерттеу» жобасы – физика мен экологияның, техникалық шығармашылық пен жаңашыл ойдың тоғысында тұрған, заманауи қоғамға қажетті зерттеу бағыты. Бұл тек мектеп оқушысының ғылыми жұмысы ғана емес, болашақтың энергия саясатына қосар үлесінің алғашқы қадамы бола алады.Бүгінгі таңда әлемдік деңгейде энергия ресурстарының азаюы, қоршаған ортаның ластануы және жаһандық жылыну секілді мәселелер адамзатты баламалы, қауіпсіз әрі экологиялық таза энергия көздерін іздеуге итермелеп отыр.

Дәстүрлі энергия көздері – мұнай, газ және көмір – қоршаған ортаға зиян келтіріп қана қоймай, біртіндеп сарқылуға бет алуда. Осыған байланысты ғылым мен техника саласында жаңартылатын және қалдықсыз энергия түрлерін дамыту – басты стратегиялық міндеттердің біріне айналды. Пьезоэлектрлік материалдар – адам қозғалысы, діріл, қысым немесе дыбыс әсерінен электр тогын өндіре алатын ерекше қасиетке ие заттар. Бұл материалдар арқылы энергия өндіру – жаңа ғасырдағы ең перспективалы бағыттардың бірі. Әсіресе, адамның жүрісі, көліктің қозғалысы, ғимараттағы тербеліс, музыка немесе шудан туындаған тербелістер энергия көзі ретінде пайдалануға жарамды.Экологиялық қауіпсіздік – Пьезоэлектрлік энергияны өндіру барысында қоршаған ортаға зиян келтіретін заттар бөлінбейді. Бұл әдіс экологиялық тұрақтылықты қамтамасыз етуге көмектеседі. Қалдықсыз технология – Пьезоэлектрлік генерацияда отын, су немесе қосымша ресурстар қажет етілмейді, сондықтан қалдық қалмайды. Энергия тапшылығын шешу – Қоғамда электр қуатына деген сұраныстың артуы энергияны балама жолмен өндірудің маңыздылығын арттырады. Пьезоэлектрлік технология шағын қуат көздерін (мысалы, сенсорлар, сағаттар, гаджеттер) қуаттандыруда тиімді.Тәжірибелік маңыздылығы – Бұл бағыт оқушылардың практикалық және зерттеушілік қабілеттерін дамытуға мүмкіндік береді. Материалмен жұмыс жасау барысында оқушылар нақты нәтижеге қол жеткізеді және физикалық заңдылықтарды тереңірек меңгереді.

Білім мен ғылымды біріктіру – Физика пәнінде алған теориялық білімді өмірде қолдану арқылы оқушылардың ғылыми дүниетанымы дамып, зерттеу мәдениеті қалыптасады. Сондықтан бұл тақырыпты зерттеу – тек ғылымға қызығушылықты арттырып қана қоймай, болашақта балама энергия көздерін қолдану жолындағы алғашқы нақты қадамдардың бірі. Физика пәні бойынша оқулықтар. Мысалы, С.А. Қасымова, Ж.Ж. Жүнісова, "Жалпы физика курсы" (2021) еңбегінде механикалық тербелістер мен электр құбылыстары тақырыптарында пьезоэффект ұғымы кіріспе деңгейінде беріледі. Бұл оқулықта оқушылар мен студенттер үшін пьезоэлектрлік құбылыстың табиғи мысалдары сипатталған.

Қазақстандық жоғары оқу орындарына қарасты бірнеше ғылыми мақалаларда материалтану және инженерлік физика салаларында пьезоэлектрлік сенсорлардың өндірістік маңыздылығы мен қолдану аясы баяндалады. Мысалы, Satpayev University базасында жарық көрген мақалаларда пьезоматериалдардың құрылыс инженериясы мен көлік саласындағы мүмкіндіктері қарастырылған.Оқушылар мен мұғалімдерге арналған әдістемелік құралдар. Оқу-әдістемелік құралдарда (мысалы, “Физикадан ғылыми жобалар: практикалық ұсыныстар”, 2020, ҚР БҒМ) мектеп оқушыларына арналған зерттеу жобаларының бірі ретінде пьезоэлектрлік құрылғылар жасау ұсынылған. Мұнда пьезодискілердің көмегімен электр тогын алу тәжірибесі сипатталып, қауіпсіздік ережелері берілген. Жоғарыда аталған әдебиеттерді талдау нәтижесінде, пьезоэлектрлік материалдарды қолдану арқылы қалдықсыз энергия өндіру саласы ғылыми тұрғыдан дәлелденген, әрі практикалық қолдануға бейімделген бағыт екені байқалады. Шетелдік әдебиеттер бұл салада терең теориялық әрі технологиялық негіз ұсынса, отандық еңбектер осы білімді оқу процесіне енгізу мен бейімдеу жолында қызмет етеді. Осылайша, әдебиетке шолу зерттеу тақырыбының ғылыми негізделгенін және қазіргі заманғы физика пәні аясында өзекті екенін дәлелдейді. Бұл ғылыми жобаның мақсаты – пьезоэлектрлік материалдардың жұмыс істеу принципін зерттеу, олардың көмегімен қалдықсыз энергия өндіру мүмкіндіктерін анықтау, және бұл технологияны күнделікті өмірде қалай қолдануға болатынын тәжірибе арқылы дәлелдеу.Пьезоэлектрлік құбылыстың физикалық негіздерін түсіндіру;Түрлі пьезоэлектрлік материалдармен танысып, олардың ерекшеліктерін сипаттау;Адам қозғалысы немесе сыртқы тербелістерден энергия өндіру тәсілдерін зерттеу;Қарапайым тәжірибе жасап, пьезоэлемент көмегімен ток өндіру процесін көрсету;Жаңартылатын және экологиялық таза энергия көзін насихаттау және білім беру процесіне енгізу.Бұл мақсат оқушылардың ғылыми ізденіске қызығушылығын арттырып қана қоймай, экологиялық санасын, физика пәніне деген қызығушылығын, шығармашылық және инженерлік ойлауын дамытуға бағытталған.Жобаның мақсатына жету үшін келесі нақты міндеттер қойылады. Пьезоэлектрлік құбылыстың теориялық негіздерін зерделеу. Пьезоэффект ұғымын, оның ашылу тарихын және физикалық сипаттамаларын түсіну. Электр және механикалық энергия арасындағы өзара байланысты талдау. Пьезоэлектрлік материалдардың түрлерін зерттеу.

3.Пьезоэлектрлік құбылыстың өндірістік қолданыстары.

Қолданылуы: дыбыс техникасында –микрофон, динамик, эхолот. Табиғи және жасанды пьезоматериалдарға (мысалы, кварц, титанат-цирконат-қорғасын – PZT) шолу жасау. Әр материалдың тиімділігі мен қолдану салаларын салыстыру.Энергия өндірудің тәжірибелік моделін жасау. Қарапайым пьезоэлементті пайдаланып, энергия өндіру құрылғысын құрастыру.Бұл міндеттер оқушының тек теориялық білімін ғана емес, сонымен қатар практикалық, зерттеушілік және шығармашылық қабілеттерін дамытуға бағытталған.Бұл жұмыстың идеясы – адам қозғалысын немесе күнделікті өмірдегі тербелістерді тиімді пайдалану арқылы қалдықсыз энергия өндіретін шағын құрылғы (прототип) жасау. Яғни, оқушы өз қолымен пьезоэлектрлік сенсор негізінде жұмыс істейтін қарапайым қуат көзі құрастырады. Күнделікті өмірде біз байқамайтын тербеліс, қысым немесе қадам саны – энергия көзі бола алады.Осы құбылысты нақты жүзеге асыру үшін оқушы пьезодискі немесе пьезопластина орнатылған шағын платформа (мысалы, табан астына немесе баспалдаққа) жасайды.Платформаға қадам басқанда немесе механикалық күш түскенде пьезоэлемент электр тогын өндіреді. Бұл ток шағын жарықдиодты шамды (LED) жағуға немесе шағын аккумуляторды зарядтауға жеткілікті болады."Ақылды аяқ киім" моделі – аяқ киім табанына орнатылған пьезоэлементтер жүру кезінде қуат жинап, телефонды зарядтауға мүмкіндік беруі мүмкін."Энергия жинақтаушы рюкзак" – қозғалыс кезінде иыққа түсетін қысымнан энергия жинайтын пьезосенсорлар орнатылады."Музыкадан қуат алу" – дыбыс колонкасына жақын орналастырылған пьезопластина музыка тербелісінен ток өндіреді.Неліктен бұл идея шығармашылық?Бұл идея экология, инженерия және физика ғылымын бір арнаға тоғыстырады.Бұл ғылыми жобаның жаңашылдығы – пьезоэлектрлік материалдарды мектеп деңгейінде қолжетімді құралдармен зерттеп, адам қозғалысынан немесе дыбыстан энергия өндірудің қарапайым, қалдықсыз моделін жасауында.Жасанды интеллект пен датчиктермен ұштастыру әлеуеті. Жоба негізінде келешекте смарт құрылғылар жасауға жол ашылады (мысалы, пьезосенсорлар арқылы энергия өндіретін киім немесе аяқ киім). Бұл қазіргі цифрлық дәуірмен тығыз байланысты жаңашыл бағыт. Бұл жоба дәстүрлі зерттеулерге қарағанда оқушыны энергия көздерін жаңаша түсінуге, шығармашылық шешім қабылдауға және ғылымға қызығушылықпен қарауға жетелейді. Оның жаңашылдығы – қолжетімді әдіспен нақты тәжірибе жасап, болашақтың технологиясына бастама жасауында.Егер пьезоэлектрлік материалдарды адам қозғалысы, дыбыс немесе механикалық қысым секілді күнделікті физикалық әсерлерге ұшыратсақ, онда олар қалдықсыз және экологиялық таза электр энергиясын өндіре алады. Бұл гипотеза пьезоэлектрлік эффектінің физикалық заңдылықтарына негізделген. Пьезоэлектрлік материалдар механикалық қысым әсерінен электр зарядын өндіру қасиетіне ие, яғни оларда механикалық энергия → электр энергиясына түрленеді.Әртүрлі күш пен тербеліс жиілігіне пьезоэлемент қалай жауап беретіні тәжірибе арқылы тексеріледі.Пьезоэлементтің көмегімен шағын құрылғыларды (мысалы, жарықдиодты шам) іске қосу мүмкіндігі анықталады.Жинақталған энергияның көлемі мен тиімділігі бағаланады. Осы гипотеза шындыққа дәлелденсе, пьезоэлектрлік материалдар – болашақтағы энергия тапшылығы мен экологиялық мәселелердің тиімді шешімі бола алады.Бұл ғылыми жобада зерттеу мақсатына жету үшін әртүрлі әдістер кешені қолданылды. Әр әдіс жоба барысында нақты міндеттерді орындауға бағытталған. Зерттеу әдістері теория мен практиканы ұштастыра отырып, ғылыми дәлдікке жетуге мүмкіндік береді. Теориялық талдау әдісі. Пьезоэлектрлік құбылыс туралы ғылыми әдебиеттерді (оқулықтар, мақалалар, шетелдік деректер) жинақтау және сараптау. Материалдың физикалық қасиеттерін түсіну, жұмыс істеу принципін сипаттау.

1. https://stud.kz/referat/show/43037

2. https://ppt-online.org/638463